De evolutie van het heelal

Paragraafvraag ^{Hoe is het heelal ontstaan, hoe heeft het heelal zich ontwikkeld} en hoe ziet de toekomst van het heelal eruit?

Kosmologie

De studie naar het ontstaan en de structuur van het heelal is het terrein van de kosmologie. De kosmologie bestudeert het heelal in zijn totaliteit: niet alleen haar geschiedenis, maar ook alles wat er in het heelal wordt waarge-nomen.

Kosmologen nemen onder de natuurwetenschappers een bijzondere positie in. Er is voor hen slechts één studieobject: het heelal waarin we zelf leven. Kosmologen kunnen geen ander heelal nemen en kijken wat daar gebeurt. Ze kunnen het niet vergelijken met iets anders, zoals andere astronomen dat doen met planeten, sterren en sterrenstelsels. Kosmologen kunnen ook geen experimenten uitvoeren met het heelal: ze kunnen alleen modellen maken en nagaan of deze modellen overeenstemmen met de waarnemingen die gedaan worden met telescopen en satellieten.

Kosmologen gaan er op grond van waarnemingen vanuit dat het heelal in alle richtingen en overal op dezelfde manier is opgebouwd. Men zegt daarom dat het heelal homogeen (van dezelfde aard of samenstelling) en isotroop (in alle richtingen dezelfde eigenschappen) is. Omdat het heelal zo opvallend uni-form (eenvormig) is, kunnen we het als een geheel bestuderen. Kosmologen gaan er ook vanuit dat dezelfde natuurwetten – onder andere die van gravi-tatie, beweging, elektriciteit en magnetisme – altijd en overal geldig zijn. Dit wordt door waarnemingen bevestigd. Als deze wetten ook maar een kleine afwijking zouden vertonen op grote afstanden, dan zouden ver verwijderde sterren niet meer stralen en sterrenstelsels uit hun baan raken, en zou licht er anders uitzien. Hiervan is allemaal geen sprake.

Gewapend met deze veronderstellingen, waarnemingen en wetten, proberen kosmologen een theorie over de evolutie van het heelal op te stellen: hoe is het heelal ontstaan, hoe heeft het heelal zich ontwikkeld en hoe ziet de toe-komst van het heelal eruit?

De oerknaltheorie

In de vorige eeuw zijn er verschillende theorieën opgesteld over het ontstaan en de ontwikkeling van het heelal. De bekendste is de oerknaltheorie, ook wel de Big Bang-theorie genoemd.

Volgens de oerknaltheorie zoals die vanaf de jaren twintig van de vorige eeuw door kosmologen is ontwikkeld, is het heelal ontstaan vanuit een zeer compacte en zeer hete begintoestand. Men spreekt van de oerknal, maar het was geen explosie in een verder leeg heelal. Men denkt eerder dat het heelal met alles daarin aanvankelijk uiterst klein van afmeting was. En ‘alles’ bete-kent ook letterlijk alles: alle materie, straling en energie die we nu waarne-men. De temperatuur was op dat moment oneindig hoog. Het heelal zette in zijn geheel heel snel uit en de inhoud verspreide zich in alle richtingen over steeds grotere afstanden: vandaar de vergelijking met een explosie.

Figuur 84 – Deze opname van de Hubble ruimtetelescoop laat een heelal vol sterrenstelsels zien.

64

De oerknaltheorie voorspelt niet hoeveel materie het heelal bevat en in welke vorm. Deze theorie laat verschillende scenario’s toe, die de ontwikkeling en bouw van het heelal beschrijven. Daardoor laat deze theorie ook nog vele mogelijkheden open voor de toekomst van het heelal. Afhankelijk van de hoeveelheid materie in het heelal, kan het blijven expanderen, heel langzaam tot stilstand komen of uiteindelijk weer samentrekken onder invloed van de gravitatiekracht.

De evolutie van het heelal

Volgens de oerknaltheorie is de ontwikkeling van het heelal ongeveer als volgt verlopen (zie ook figuur 85).

Figuur 85 – Schematische weergave van de oerknaltheorie.

Aanvankelijk was er een hete en zeer dichte oersoep van de meest elementai-re deeltjes die men kent: quarks. Er waelementai-ren nog geen atoomkernen, zelfs nog niet de bouwstenen daarvan (de protonen en neutronen).

Na ongeveer een milliseconde had het heelal ongeveer de omvang van het zonnestelsel. Door de dalende temperatuur konden de quarks zich verbinden

65 tot protonen en neutronen.

Na ongeveer 100 seconden werden de atoomkernen van de lichtste elemen-ten gevormd, eerst waterstof en na verdere afkoeling ook helium (twee protronen en twee neutronen) en lithium (drie protonen en drie neutronen). Na zo’n 300 duizend jaar was het heelal zó ver afgekoeld, dat de elektronen en atoomkernen in atomen werden gebonden. Omdat licht nu niet voortdu-rend botst met elektronen, kan het ongehinderd door het heelal bewegen en wordt het heelal doorzichtig.

Na ruim 1 miljard jaar klonterde materie onder invloed van de gravitatie-kracht samen tot de eerste sterren en sterrenstelsels.

We leven nu zo’n 13,7 miljard jaar na de oerknal, maar deze leeftijd van het heelal is omstreden. Er is een langlopende discussie over hoe oud het heelal nu eigenlijk is. Schattingen lopen uiteen van 10 tot 20 miljard jaar.

De vorming van de zwaardere elementen

De eerste sterren en sterrenstelsels werden gevormd uit de producten van de oerknal: de lichte elementen waterstof, helium en lithium. De andere, zwaardere elementen – zoals de koolstof waaruit ons lichaam voor een groot deel bestaat, of de zuurstof die we inademen – bestonden toen nog niet. Deze zwaardere elementen – van beryllium tot uranium – werden pas later door kernfusieprocessen binnenin sterren gevormd. Bij kernfusie verbinden lichte elementen zich tot zwaardere elementen. Daarbij komt relatief veel energie vrij. De sterren stralen die energie uit, onder andere in de vorm van licht. In het binnenste van een ster fuseren waterstofkernen eerst tot heliumker-nen, fuseren heliumkernen tot koolstofkernen en zo verder tot de vorming van ijzerkernen. Daarna leveren kernfusieprocessen geen energie meer op. Nog zwaardere kernen kunnen dan nog wel gevormd worden door het invan-gen van neutronen.

Door het optreden van kernfusie en neutronenvangst doet het binnenste van een ster dienst als broedplaats van nieuwe elementen. Aan het eind van zijn leven – als de ster zijn ‘brandstof’ heeft opgebruikt – stort een ster in en blaast zichzelf daarna op. Er is dan sprake van een supernova-explosie.

Figuur 86 – De supernova SN 1987 A (rechts). Een paar dagen voor deze sterexplosie is op die plaats niet meer dan een gewone ster zichtbaar (links).

Bij deze explosie wordt een groot deel van de stermassa het heelal in geslin-gerd. Op deze manier worden de gevormde elementen over het heelal ver-spreid. In een later stadium kunnen deze elementen weer bijdragen aan de vorming van nieuwe sterren en planeten. De aarde – en al het leven dat zich daarop bevindt, inclusief ons eigen lichaam – bestaat uit atomen van ele-menten die ooit door kernfusie en neutronenvangst in het binnenste van ou-de sterren zijn ontstaan.

Figuur 87 – DeKrabnevel is het restant van een supernovaexplosie in 1054, zoals blijkt uit de beschrijving door Chinese astronomen uit die tijd.

66 Bewijs voor de oerknaltheorie

Om de theorie van de oerknal te weerleggen, moet men één of ander ver-schijnsel waarnemen dat in strijd is met de uitgangspunten van deze theorie. We zouden een ster kunnen waarnemen die ouder is dan volgens de oerknal-theorie mogelijk is. Of we zouden een waarneming kunnen doen waaruit blijkt dat de verdeling van de sterrenstelsels over het heelal niet homogeen is. Tot nu toe is dit echter niet het geval: de aanwijzingen dat de oerknaltheo-rie op hoofdlijnen juist is, worden alsmaar sterker. Hieronder bespreken we enkele van deze aanwijzingen: de waargenomen uitdijing van het heelal en het bestaan van de kosmische achtergrondstraling.

Tegelijkertijd komen er echter ook steeds meer vragen over hoe ons heelal precies in elkaar zit. Zo blijkt uit waarnemingen van sterbewegingen dat er veel meer materie in het heelal moet zijn dan er zichtbaar is met telescopen en satellieten. Deze zogenaamde donkere materie zien de astronomen door het effect van de gravitatiekracht van deze materie op de zichtbare sterren. De schatting is dat ongeveer 90% van ons heelal uit donkere materie bestaat. De aard van donkere materie is echter op dit moment nog onbekend.

De wet van Hubble

Een belangrijke voorspelling van de oerknaltheorie is de uitdijing van het

heelal. In 1929 nam de al vaker genoemde astronoom Edwin Hubble de

uit-dijing van het heelal daadwerkelijk waar. Aan de hand van zijn metingen stelde hij vast dat alle sterrenstelsels zich van elkaar af bewegen. Bovendien bleek te gelden: hoe verder ze van ons verwijderd zijn, des te groter is hun snelheid. Zijn resultaten vatte hij samen in een formule die we nu de wet van

Hubble noemen.